微脊参数优化增强微流控燃料电池性能研究

《Energy Conversion and Management-X》：Improvement of micro-ridge parameters for enhanced microfluidic fuel cell performance

　　

微流控燃料电池（microfluidic fuel cell, MFC）是一种无需质子交换膜的电化学能量转换装置，其利用微通道内层流特性实现阳极电解液与阴极电解液的分离。然而，电极表面浓度边界层（concentration boundary layer, CBL）的形成以及相邻流股间扩散混合区的扩展，显著限制了反应物向电极表面的传输效率，进而制约了电池的整体性能。为改善电极-反应物相互作用，研究人员在通道底部引入流动调控微脊结构，并系统开展了脊高、脊间距及脊角的参数化研究。研究结果表明，重力效应对混合过程及微脊诱导的横向传输具有显著影响。通过优化微脊几何参数，微流控燃料电池的电流密度提升了60.7%，燃料利用率提高了50.8%。该研究为微流控燃料电池的通道结构优化设计提供了理论依据与数值支撑。

微脊参数优化增强微流控燃料电池性能：数值模拟研究解读

一、研究背景与意义

燃料电池作为一种将化学能直接转化为电能的电化学装置，相较于传统燃烧系统具有更高的能量转换效率和更低的污染物排放。然而，传统质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）依赖膜结构实现阴阳极分离，膜的物化性质限制了反应物与催化剂的选择范围，且高昂的成本成为其小型化与便携化应用的主要障碍。为克服上述局限，Ferrigno等人提出了无膜微流控燃料电池（microfluidic fuel cell, MFC）概念，利用微通道内低雷诺数下的层流特性，使阳极电解液与阴极电解液在无物理隔膜条件下并行流动并自然分离。

微流控燃料电池的性能受两大关键现象制约。其一，随着电解液沿流道向下游流动，相邻流股间的扩散作用形成中央混合区，该区域在通道壁面附近因流速降低而扩展，呈沙漏形分布。混合区的存在限制了电极向通道中心方向的延伸，若电极侵入混合区将引发反应物交叉（crossover），在电极表面产生混合电位，降低电池性能。其二，由于电化学反应速率远快于扩散速率，电极表面电解液浓度显著下降，形成浓度边界层（concentration boundary layer, CBL），阻碍反应物向电极表面传输，最终削弱电池输出性能。

已有研究表明，通道几何结构对混合区分布与电极表面反应物供给具有直接调控作用。研究者从局部、顶部/侧视及横截面等不同视角提出了多种创新通道构型。然而，现有关于微脊结构的研究多聚焦于单一设计参数，缺乏对脊高、脊角、脊间距等几何参数的系统性考察，且普遍忽略重力效应的影响。尽管微混合器领域的优化研究已探索了横向流诱导机制，但其目标侧重于增强整体混合而非定向引导电解液流动。这一区别至关重要——引入横向流动分量虽可缓解电极附近的反应物耗竭，但也可能破坏混合界面的稳定性。基于上述研究空白，本研究对微脊关键参数开展参数化分析，并纳入重力效应，系统评估各参数对电池性能的影响，重点考察电流密度与燃料利用率两个核心指标。

二、主要技术方法

研究人员建立了包含微脊结构的共流Y形微流控燃料电池三维数值模型，采用甲酸（formic acid）作为燃料，以硫酸溶液中的溶解氧作为氧化剂。模型基于连续性、单相稀溶液、稳态、等温等简化假设，求解质量守恒与动量守恒方程以获取流场分布，并结合物种守恒方程模拟反应物浓度场。研究重点考察脊高（h）、脊长（l，即相对脊之间的间隙）、脊间距（d）与脊角（a）四个几何参数的影响，脊宽（w）依据文献结论固定为100 μm。数值方法考虑了重力项的作用，采用COMSOL Multiphysics平台进行多物理场耦合求解，并利用实验文献中铂纳米颗粒催化剂的物性参数作为输入条件。

三、研究结果

3.1 脊高对电池性能的影响

研究人员系统考察了不同脊高条件下微流控燃料电池的电流密度与燃料利用率变化。结果表明，脊高的增加增强了微脊诱导的横向二次流强度，有效压缩了电极表面的浓度边界层，促进了反应物向电极表面的传输。然而，过高的脊会加剧中央混合区的扰动，增加燃料交叉风险。研究确定了最优脊高值，在该条件下电池性能达到最佳平衡。

3.2 脊间距的影响

脊间距决定了单位通道长度内微脊的数量与分布密度。较小的脊间距可提供更频繁的横向流动扰动，有利于持续补充电极表面反应物；但间距过小可能导致流动阻力增大及局部混合加剧。参数化研究表明，存在一个最优脊间距，使横向质量传输增强与混合抑制之间达到最佳折中。

3.3 脊角的影响

脊角是控制横向流方向与强度的关键参数。研究考察了不同脊角对电解液横向偏转程度的影响，发现特定角度能够有效引导电解液向对应电极方向流动，同时最大限度抑制向混合区的侵入。最优脊角设计在增强电极表面反应物供给的同时，保持了混合界面的稳定性。

3.4 重力效应的影响

与以往忽略重力的模型不同，本研究在动量方程中纳入了重力项。结果表明，重力对微通道内的流动与混合过程具有不可忽视的影响，尤其在与微脊诱导的横向流耦合时，会改变混合区的形态与浓度边界层的分布特征。考虑重力效应后，优化微脊几何参数所获得的性能增益更为显著。

3.5 优化组合的性能提升

在单参数优化的基础上，研究人员确定了各参数的最优组合。数值结果表明，与无微脊的基准微流控燃料电池相比，优化微脊结构使电池电流密度提升了60.7%，燃料利用率提高了50.8%。这一显著提升归因于微脊诱导的横向流动有效缓解了电极表面的反应物耗竭，同时优化参数组合将燃料交叉与混合增强控制在最低水平。

四、讨论与结论

本研究通过系统参数化分析揭示了微脊几何参数对微流控燃料电池性能的影响规律，填补了现有文献中缺乏脊角、脊高等参数变化研究的空白。研究结果证实，微脊诱导的横向二次流是增强电极-反应物相互作用、缓解浓度边界层效应的有效手段，而重力效应的纳入使模型更贴近实际运行条件。优化后的微脊结构在电流密度与燃料利用率两个关键指标上均实现了显著提升，为微流控燃料电池的通道结构设计提供了明确的优化方向与定量参考。该研究为无膜燃料电池的性能提升开辟了新的技术路径，对便携式电子设备、医疗传感器及植入式器件的微电源开发具有重要的工程应用价值。